JP2020002873A - 風力発電装置および風力発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動ピッチ制御を採用する風力発電装置において、ハブ内の温度上昇を抑制しつつ、ロータの過回転によるブレードやタワーの損傷を防止可能な信頼性の高い風力発電装置とその制御方法を提供する。【解決手段】風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、前記ロータの回転により発電する発電機と、前記ハブ内に設けられ、前記複数のブレードの各々のピッチ角を制御する電動ピッチアクチュエータと、を備える風力発電装置であって、計測している風速が所定の閾値未満であり、かつ、前記風力発電装置の出力が所定の範囲内である場合、前記電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止させることを特徴とする。【選択図】 図５

Description

本発明は、風力発電装置およびその制御方法に係り、特に、電動ピッチ制御を採用する風力発電装置に適用して有効な技術に関する。

風力発電は、従来の火力発電や原子力発電に比べて、二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しない、放射能による環境汚染や被曝の危険性が無いなど、環境に優しく、リスクの少ない発電方法として近年注目を集めている。

その一方で、風は風向きや風速が絶えず変動し、安定していないといった特徴がある。風向きの変動に対しては風車の向きを制御（ヨー制御）することにより、また、風速の変動に対してはブレードの取り付け角度を制御（ピッチ制御）することで、安定かつ効率良く発電できるようにコントロールしている。

ブレードのピッチ制御は、ブレードの取り付け角度（ピッチ角）を調節することにより、ブレードの回転速度を制御する。低風速時にはロータ（ブレードとハブ）の回転速度を風速に対し最適化させる方向に調節し、逆に高風速時にはロータやタワーに対する風力荷重を減らす方向に制御する。低風速時にピッチ角の指令値は、風速に対し最高効率の位置（ファインピッチ角）に固定される。一方、風速が一定の水準を超えた場合、風を受け難い位置（フェザー角）までブレードを回転させ、構造上の損傷を防いでいる。

このピッチ制御には、電動ピッチ制御と油圧ピッチ制御がある。電動ピッチ制御は通常サーボモータによるサーボ制御のため、ピッチ角が動かない場合でも電力を消費し、熱源となる。サーボ制御をオフにすると、かわりにピッチアクチュエータのブレーキが作動することで、ピッチ角を保持する。

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１のような技術がある。特許文献１には「給電が可能な通常運転時には電動駆動方式のピッチ角制御を行い、給電を受けられない非常停止時のピッチ角操作には油圧の蓄圧を使用する油圧駆動方式を採用するピッチ角制御技術」が開示されている。

特開２０１２−１９３６４２号公報

上述したように、電動ピッチ制御では、ハブ内にピッチ制御装置を設置した場合、ピッチアクチュエータの熱でハブ内が高温になり、ハブ内のピッチ制御装置や非常用電源のバッテリーが熱による不具合や寿命低下を起こす可能性がある。

また、電動ピッチ制御のサーボモータをオフ（サーボオフ）した場合、電動ピッチ制御を再開する際、ピッチアクチュエータのブレーキに不具合があると、ブレードの全軸がファイン位置で動かなくなり過回転のリスクがあるため、安全上、確実にサーボモータをオン（サーボオン）する必要がある。

そこで、本発明の目的は、電動ピッチ制御を採用する風力発電装置において、ハブ内の温度上昇を抑制しつつ、ロータの過回転によるブレードやタワーの損傷を防止可能な信頼性の高い風力発電装置とその制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、前記ロータの回転により発電する発電機と、前記ハブ内に設けられ、前記複数のブレードの各々のピッチ角を制御する電動ピッチアクチュエータと、を備える風力発電装置であって、計測している風速が所定の閾値未満であり、かつ、前記風力発電装置の出力が所定の範囲内である場合、前記電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止させることを特徴とする。

また、本発明は、計測している風速が所定の閾値未満であり、かつ、発電出力が所定の範囲内である部分負荷運転状態の場合、電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止させることを特徴とする。

本発明によれば、電動ピッチ制御を採用する風力発電装置において、ハブ内の温度上昇を抑制しつつ、ロータの過回転によるブレードやタワーの損傷を防止可能な信頼性の高い風力発電装置とその制御方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 従来の風力発電装置の運転制御方法を概念的に示す図である。 従来の風力発電装置の運転制御方法を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の運転制御方法を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の運転制御方法を概念的に示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。

先ず、図１および図２を参照して、本発明が適用される風力発電装置（風車）の構成と制御対象機器の一例を説明する。図１はアップウィンド型の風力発電装置の全体概要を示し、図２は風力発電装置の各部の構成を示している。なお、本実施例において、地上に設置される風力発電装置および洋上に設置される風力発電装置は基本的に同じ構成であるため、地上と洋上の区別なく説明する。また、図１ではアップウィンド型の風力発電装置の例を示しているが、本発明はダウンウィンド型の風力発電装置にも同様に適用することができる。

本実施例の風力発電装置は、図１に示すように、地上或いは洋上に設置されたタワー６の頂部にナセル３が回転可能に設けられ、ナセル３の内部には増速機（ギアボックス）４および発電機５が内蔵されている。

ナセル３の一端には、ハブ２と複数のブレード１から構成されるロータが設けられている。ハブ２は回転軸により増速機４および発電機５と連結されており、複数のブレード１が風を受けてハブ２と共に回転することにより、風力を回転エネルギーに変換し、回転軸および増速機４を介して発電機５へ回転エネルギーを伝えることで、発電する。

図２に示すように、タワー６とナセル３との連結部分には、タワー６に対するナセル３の位置を制御するヨー制御機構９が設けられており、複数のブレード１およびハブ２からなるロータが常に風を最大限に受けるよう、風向きの変化に応じて、風車の向き（複数のブレード１およびハブ２からなるロータの向き）を制御する構成になっている。

また、ハブ２とブレード１との連結部分には、各々のブレード毎にハブに対するブレードの取り付け角度（ピッチ角）を独立して制御するピッチ制御機構（電動ピッチアクチュエータ１０およびピッチ旋回軸受１１）が設けられており、風速の変化に応じて、ハブ２に対する各ブレード１の取り付け角度（ピッチ角）を制御する構成になっている。電動ピッチアクチュエータ１０はサーボモータを有しており、ハブ２内のピッチ制御装置１２によるサーボ制御でオン・オフされる。

ハブ２は主軸１６と連結し、主軸１６はナセル３内において増速機４と連結している。増速機４は回転軸により発電機５と連結されている。増速機４および発電機５の間には、ロータブレーキ８が設けられ、風力発電装置（ロータ）を停止する際にロータブレーキ８を作動させ、ロータすなわちハブ２および複数のブレード１の回転を停止または減速させる。

ナセル３の外部には、風向風速計７が設置されている。風向風速計７により計測した風向きデータおよび風速データは風車制御盤（風車制御装置）１５に伝送され、風車制御盤（風車制御装置）１５によりヨー制御機構９およびピッチ制御機構の各々が制御される。また、風車制御盤（風車制御装置）１５は発電機５のトルク指令および電力指令を出力する。ピッチ制御機構は、上述の通り、ピッチ制御装置１２および電動ピッチアクチュエータ１０、ピッチ旋回軸受１１から構成されている。

発電機５により発電された電力は、タワー６内に設置された電力変換装置１３および主遮断機１４を介して、外部の電力系統へ供給される。

次に、本発明を分かり易くするための比較例として、図３および図４を参照して、従来の一般的な風力発電装置の電動ピッチ制御について説明する。図３は、風速に対する発電出力とピッチ角の関係、つまり風速に対するピッチ制御の制御結果を示している。また、図４は、低風速時に電動ピッチをサーボオフ（停止制御）する際の発電出力とピッチ角の時間推移を示している。

従来の一般的な風力発電装置では、図３に示すように、風力発電装置の発電運転中は常に電動ピッチ制御機構はオン（サーボオン）の状態となっている。低風速時（出力０時）にはブレード１が効率的に風を受け易い位置（ファインピッチ角）に制御する。風速が増加するにつれて、風車出力は上昇し、風速が一定の水準を超えた場合、風車出力を一定にするために、風を受け難い位置（フェザー角）までブレード１を回転させる。発電中は常にサーボオンとなっているため、上述したように、ピッチ角が動かない場合でもサーボモータが電力を消費し、ハブ２内において熱源となる。

また、従来の一般的な風力発電装置において、風車を停止させる際には、図４に示すように、安全な状態でブレード１を待機させるために、すべてのブレード１のピッチ角をファイン側からフェザー側へ移行させて、風を受け難い位置（フェザー角）にブレード１を固定する。その結果、風車出力は急激にゼロまで低下する。

低風速時にサーボモータの電力消費を抑制しようとサーボモータをオフ（サーボオフ）した後、風況が変化して風速が増加した際に再び電動ピッチ制御をオン（サーボオン）しようとした場合、例えばピッチ制御機構（電動ピッチアクチュエータ１０のブレーキなど）の固着などの不具合が発生してロータ（ブレード１およびハブ２）の過回転のリスクがあり、ブレード１の破損やタワー６の倒壊といった事故に繋がる恐れもある。

続いて、図５および図６を参照して、本実施例の風力発電装置の電動ピッチ制御について説明する。図５は従来例の図３に対応する図であり、風速に対する発電出力とピッチ角の関係（風速に対するピッチ制御の制御結果）を示している。また、図６は従来例の図４に対応する図であり、低風速時に電動ピッチをサーボオフ（停止制御）する際の発電出力とピッチ角の時間推移を示している。

本実施例の風力発電装置では、図５に示すように、一定風速又は出力の運転時は電動ピッチ制御をオン（サーボオン）にし、通常のピッチ角制御により一定の風車出力を維持する。風車（風向風速計７）が計測している風速（或いは、ロータの回転数）が所定の閾値未満であり、なおかつ、風力発電装置の出力が所定の範囲内である場合、すなわち低風速領域での部分負荷運転時には、電動ピッチ制御によりブレード１を最適な位置に制御した後、その位置を維持したまま、電動ピッチ制御をオフ（サーボオフ）にし、発電運転を継続する。

これにより、図３に示す従来の電動ピッチ制御に比べて、電動ピッチ制御がオン（サーボオン）の状態が少なくなり、サーボモータによるハブ２内の温度上昇を抑制することができる。また、サーボモータでの電力消費を抑制することができ、結果的に風力発電装置の発電出力を向上することができる。

発電運転中に電動ピッチ制御をオフ（サーボオフ）にした場合、上述したように、ピッチ制御機構（電動ピッチアクチュエータ１０やピッチ旋回軸受１１）の固着などの不具合により定常運転に復帰できない、或いは、ロータの過回転に繋がるといったリスクがある。

そこで、本実施例では、電動ピッチ制御のサーボオンが失敗した場合の対策として、図６に示すように、出力増シャットダウン制御を追加する。

電動ピッチアクチュエータ１０によるピッチ制御を停止した後、ピッチ角をファイン角に固定したまま、一定の時間経過後に、トルク指令または電力指令を定格値または設計許容値付近までランプ状に（勾配を持たせて）発電機５の発電出力（風車出力）を上昇させる。これにより、ロータ（発電機５）への負荷を一時的に増加させて、ロータの回転を減速する。

風車（風向風速計７）が計測している風速または回転数が所定の閾値未満となり、ロータ（ブレード１およびハブ２）の回転数も一定の閾値未満となった場合、ロータブレーキ８を作用させ、意図的にトルクを過剰に付加することでロータをさらに減速する。つまり、ブレード１の周速比を最適点から反らせることでロータを減速させる。このロータブレーキ８は、図２に示すように、高速回転する主軸１６を制動するディスクブレーキ型の高速シャフトブレーキ（HSSブレーキ：High-Speed Shaft）である。

これにより、低風速時にサーボモータの電力消費を抑制しようとサーボモータをオフ（サーボオフ）した後、例えばピッチ制御機構（電動ピッチアクチュエータ１０やピッチ旋回軸受１１）の固着などの不具合が発生した場合であっても、確実にロータ（ブレード１およびハブ２）を減速させることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、電動ピッチ制御を採用する風力発電装置において、ハブ内の温度上昇を抑制しつつ、ロータの過回転によるブレードやタワーの損傷を防止することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ブレード、２…ハブ、３…ナセル、４…増速機（ギアボックス）、５…発電機、６…タワー、７…風向風速計、８…ロータブレーキ、９…ヨー制御機構、１０…電動ピッチアクチュエータ、１１…ピッチ旋回軸受、１２…ピッチ制御装置、１３…電力変換装置、１４…主遮断機、１５…風車制御盤（風車制御装置）、１６…主軸。

Claims (8)

1. 風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、
   前記ロータの回転により発電する発電機と、
   前記ハブ内に設けられ、前記複数のブレードの各々のピッチ角を制御する電動ピッチアクチュエータと、を備える風力発電装置であって、
   計測している風速が所定の閾値未満であり、かつ、前記風力発電装置の出力が所定の範囲内である場合、前記電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止させることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記電動ピッチアクチュエータは、サーボモータを有し、
   サーボ制御によりオン・オフされることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記発電機のトルク指令および電力指令を出力する風車制御装置を備え、
   前記電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止した後、一定の時間経過後に、所定の定格出力値または風車の設計許容値近傍まで、前記発電機による発電出力をランプ状に上昇させることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置であって、
   前記ロータの回転を制動するロータブレーキを備え、
   前記ロータの回転数が所定の閾値未満の場合、前記ロータブレーキにより前記ロータの回転を制動することを特徴とする風力発電装置。
5. 計測している風速が所定の閾値未満であり、かつ、発電出力が所定の範囲内である部分負荷運転状態の場合、電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
6. 請求項５に記載の風力発電装置の制御方法であって、
   サーボ制御により前記電動ピッチアクチュエータをオン・オフすることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
7. 請求項５に記載の風力発電装置の制御方法であって、
   前記電動ピッチアクチュエータによるピッチ制御を停止した後、一定の時間経過後に、所定の定格出力値または風車の設計許容値近傍まで、発電出力をランプ状に上昇させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
8. 請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
   ロータの回転数が所定の閾値未満の場合、ロータブレーキにより前記ロータの回転を制動することを特徴とする風力発電装置の制御方法。

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